耐低温混合菌的固定化及其对多环芳烃污染土壤的修复研究

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微生物的降解是去除PAHs的主要途径,但是游离菌会面临土著菌的竞争、中间代谢产物的毒害、环境条件恶劣等问题,导致降解菌的存活率变低、单位体积内降解菌的密度变小、从而使得PAHs降解速率变慢,而固定化技术恰恰克服了以上弊端。为了实现微生物固定化技术修复北方寒冷地区受PAHs污染的冻融土壤的大规模推广和应用,耐低温高效PAHs降解菌的筛选和固定化载体的选择是关键,其次是固定化方法的选择。本文选用本课题组前期已筛选的耐低温PAHs降解细菌5株(J4,L1,L2,S3,S4),研究其对土壤中菲(Phe)、芘(Pyr)、苯并[a]芘(Bap)的降解,并采用Michaelis-Menton和Monod动力学模型对降解结果进行拟合,得到耐低温高效PAHs降解细菌3株(J4、L1、S4)。将其与2株真菌(J7、S1)进行排列组合,得到6组混合菌(J4J7、L1J7、S4J7、J4S1、L1S1、S4S1),筛选出最优混合菌(S4J7)并鉴定。选取玉米芯、花生壳、蛭石和泥炭土作为供试载体,筛选最佳固定化载体材料,优化并确定固定化工艺。通过实验室的模拟实验,研究固定化微生物对PAHs污染土壤的修复能力,通过环境因素的试验明确固定化混合菌的最适条件,最后通过扫描电镜(SEM)分析,对固定化修复机制进行了初步探讨。主要结论如下:(1)单菌中S4对于Phe的降解效果最好,60 d可降解59.18%的Phe;对于高环的Pyr,两株真菌的降解效果略显优势,J7可降解38.11%的Pyr;两株真菌J7、S1对Bap的降解效果优于细菌,去除率分别为28.26%、25.47%。(2)从降解率、降解速率、动力学方程3个指标来看,大部分混合菌在低温条件下对土壤中PAHs的降解效果优于单菌。其中,混合菌S4J7对高环的Pyr、Bap的降解效果略优于真菌S1,细菌S4,60 d后可降解37.15%的Pyr和27.41%的BaP。经鉴定细菌S4为假单胞菌(Pseudomonas sp.SDR4);真菌J7为高山被孢霉(Mortierella alpina sp.JDR7)。(3)以玉米芯(Y)、花生壳(H)、蛭石(Z)和泥炭土(N)作为供试载体,吸附固定化混合菌S4J7(h),60 d后对土壤中PAHs的去除率高低顺序为:Z-h>Y-h>H-h>N-h>h,其中Z-h和Y-h无显著性差异,可分别降解64.38%和58.49%Phe,48.71%和45.91%的Pyr,40.19%和37.07%的BaP。(4)固定化混合菌10%15%的菌接种量最接近于实际应用;Y-S4J7对PAHs的最佳降解温度为10℃;含水量为最大田间持水量的20%60%时,降解效果更好;当PAHs初始浓度为30 mg·kg-1时,Y-S4J7对其利用最充分,降解效果最好。(5)在土著菌存在的情况下,游离菌占有绝对优势,经固定化混合菌处理效果更好。60 d后,对Phe、Pyr、BaP的残余率仅分别为41.51%,54.09%和62.93%。(6)通过SEM扫描电镜观察,载体玉米芯上的菌丝更繁密,细菌随菌丝的生长而移动,发挥细菌-真菌协同作用,对PAHs的降解表现出了较大的优势。另外,玉米芯在北方地区来源广泛,无毒,并且具有一定的可生物降解性,利于微生物的生长。所以,可选取玉米芯作为混合菌固定化的载体,修复北方寒冷地区冻融交替条件下PAHs污染土壤。
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